機床商務網技術文章
車銑復合加工中心Y軸立柱的受力分析及結構優化
閱讀：121 發布時間：2020-8-12
復合化是數控機床一個普遍發展趨勢，在現代機 械加工中復合化數控機床發揮著愈來愈大的作 用[1]。車銑復合加工中心具有多軸聯動功能，機床 動力刀架配合Y軸移動能實現強力銑削，Y軸立柱作 為動力刀架的一個重要支撐零件，必須對其進行 化設計以減少機床在強力切削時的振動，使加工零件 獲得較高的加工精度和很好的表面粗糙度。目前國 內復合機床偏重于結構布局研究，對復合后機床支撐 件力學性能研究不足。筆者通過對車銑復合加工中 心Y軸立柱有限元仿真和分析，完成了對Y軸立柱 的優化設計，并在機床的實際使用中，證明優化后的 Y軸立柱很好的滿足了機床的加工要求。
1.1立柱的三維建模及材料的定義
利用Solidworks進行立柱二維模型建立,在此過 程中，三維模型中的一些細小特征，比如加工倒角、螺 紋孔、工藝凸臺等會影響有限元網格模型的建立，因 此對這些不影響力學性能的特征進行了簡化,進行簡 化后的三維模型如圖1所示。根據立柱的使用情況 選擇其材料為HT300鑄鐵，通過查閱相關參考文獻 可得出材料彈性模量為150 GPa、泊松比為0. 27、密 度為 7 400 kg/m3[2]。
1.2立柱有限元網格模型的建立
對簡化后的立柱三維模型利用Simulation進行網格劃分。在進行網格劃分時，如果網格劃分太細， 雖然會提高運算精度但也會加大運算時候的運算量, 因此，在對計算的精度不會有較大影響前提下選擇合 適的網格單元大小就很重要[3]。筆者進行模型網格 劃分時，朱用的網格單元大小12. 96 mm，經過網格劃 分后，共有69 419個節點，43 337個單元，網格劃分 后的模型如圖2所示。
1.3載荷的施加及邊界約束
立柱的受力主要是機床切削加工時的切削力和 刀架的重力，其中切削力通過刀具及刀架傳遞給立 柱。通過已知的切削參數及查閱相關參考文獻，可計 算出切削力三個方向的分力大小:切向力2 029 N，徑向力Fy = 569 N，軸向車削力& = 620 N[4]。刀 架的質量為396 kg，由于機床切削力和刀架重心與立 柱受力點之間存在一定距離，經過將切削力與刀架重 力進行合成并經過施加遠程載荷，可以模擬機床進行加工時的狀態。
立柱通過螺釘與機床床鞍進行剛性連接，因此可 以將立柱下面的六個自由度全部約束,對立柱進行約 束并施加遠程外力載荷后，得出立柱的受力示意如圖 3所示。
1.4計算結果
將各條件確定后，經過Simulation模塊進行運算 分析，得到了立柱的應力、應變圖解及總位移圖解 (見圖4 ~6所示）。
2對運算結果分析及結構優化
2.1受力分析
通過圖4、5可以看出立柱左端的筋柱上受到的 應力及應變較大，大應力為21.37 N/mm2,在設計 中應該是結構優化的關鍵位置,而其他位置并沒有出 現較高的應力及應變。
2.2位移分析
通過圖6可以看出,立柱大變形位移出現在立 柱左端的筋柱上部區域，大變形位移為0.027 mm， 由于結構布局需要，立柱左端處布置有Y軸電機，因 此左端處留有較大空位,這就使得立柱局部變形位移 較大。由于立柱是機床加工時受力關鍵部件,該局部 變形會在一定程度上直接影響機床的加工精度，因此 有必要對立柱進行結構優化設計。
2.3結構優化
通過以上分析可知,立柱左端的筋柱區域是結構 優化的重點，可以做有針對性結構加強。首先將立柱 左端處筋壁的厚度進行了改進，由原來的20 mm增加 為25 mm，其次，在與Y軸電機不發生干涉的前提下，將立柱左端的空位尺寸改小，提高此處的結構剛性。 另外,在立柱受應力、應變較小的頂部設計了三個減重 孔,改進后的立柱重量比原來的重量只增加了 2 kg。
經過結構改進后的立柱再此利用Simulatiom進 行有限元仿真和分析[5]，其應力、應變圖解及總位移 圖解如圖7 ~9所示，從分析結果可知,優化后的立柱 大的變形位移由之前的0.027 mm減少到了 0.009 mm，而重量只增加了 2 kg。該機床裝配完成,實際使 用效果良好，加工精度和加工表面粗糙度都達到了設 計要求。
3結語
車銑復合加工中心憑借其高效率、高精度及較強 的加工性能，越來越受到廣大機床用戶的青睞，因此， 如何構思、設計車銑復合加工中心，已經成為機床企 業工程師當下任務[6]。筆者利用Simulatiom對車銑 復合加工中心Y軸立柱進行有限元仿真和分析過 程，完成了對Y軸立柱的優化設計，通過對機床的實 際使用，證明優化后的Y軸立柱很好的滿足了機床 的加工要求，實踐證明利用有限元仿真和分析方法, 能夠縮短機床設計周期和提高設計效率。